金属-有机骨架材料的构效关系及设计

金属－**骨架（MOF）材料是近年来新材料的领域的研究热点与前沿。本书介绍MOF材料构效关系的研究进展，不仅可指导实验合成与应用，还使读者对计算手段有一个总体的了解。 

纳微结构材料，由于其结构特性，在多方面表现出优异的性能。近十年来，一类被称为“金属?有机骨架（metal?organic framework，MOF）材料”的有机?无机杂化纳米多孔材料受到了广泛关注，成为新材料领域的研究热点与前沿之一。目前，从事MOF材料研究的人员逐年增加，而其亦正在从实验室逐步走向工业化。由于结构较传统的多孔材料复杂、多样，MOF材料的结构?性能关系的研究尚存在较大挑战，从而影响了对MOF材料的主动设计。《金属-有机骨架材料的构效关系及设计》针对此问题，主要介绍MOF材料构效关系的研究进展，特别是利用计算化学与分子模拟等先进手段获得的成果，不仅使读者掌握MOF材料的构效关系，用于指导实验合成与应用，还可以对计算手段有一个总体的了解，从而促进计算科学与技术在材料领域的应用。

仲崇立，1966年4月生，1993年获北京化工大学工学博士学位， 1995年4月至1998年5月任日本广岛大学化工系助理教授，1998年6月至1999年8月任荷兰代尔夫特理工大学博士后研究员，1999年9月至今，任北京化工大学教授、计算化学研究室主任。担任国际杂志E-Journal of Chemistry、The Open Thermodynamics Journal编委。
长期从事面向化工、环境与能源等领域应用的纳微结构材料的分子模拟与设计研究，主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目等多项课题，发表SCI收录论文180余篇，先后入选教育部“跨世纪优秀人才计划”、国务院“享受政府特殊津贴专家”和“新世纪百千万人才工程”国家级人选，获高校自然科学二等奖、北京市科学技术二等奖（基础类）、高校青年教师奖等6项科技与人才奖励。

第1章概述第1章概述1?1金属?有机骨架材料简介目前，各种新材料层出不穷，在国民经济的各个领域发挥了重要的作用。特别是纳米材料，由于其结构特点，在多方面表现出优异的性能。近十年，一类被称为“金属?有机骨架（metal?organic framework，MOF）材料”的有机?无机杂化纳米多孔材料受到了广泛关注，成为新材料领域的研究热点与前沿之一［1］。化学领域的著名综述期刊Chem?Rev?,Chem?Soc?Rev?及ChemComm均出版了MOF专集，第一届MOF大会（MOF2008）于2008年在德国召开，此后每两年召开一次，参加人数逐年增加。
金属?有机骨架材料主要由芳香酸或碱的氮、氧多齿有机配体，通过配位键与无机金属中心杂化形成的立体网络结构晶体，因此又被称为多孔配位聚合物（porous coordination polymer，PCP）。由于与沸石的孔结构相近，但骨架具有柔韧性，亦被称为“软沸石”。图1?1所示为一个典型的MOF材料——MOF?5（又称IRMOF?1）［2］，其结构可看成是由分离的次级结构单元（如Zn4O）通过有机配体苯环桥连，自组装而成。在合成中，选择不同反应物，如通过添加有机配体中的R基团（R=－Br,－NH2,－OC3H7,－OC5H11,－C2H4－和－C4H4－等），可以得到不同种类的MOF化合物。由于可在非常广的范围内选择不同金属离子与各种有机配体进行聚合，因此可设计出具有不同孔道结构和化学特性的MOF材料。
图1?1MOF?5（IRMOF?1）材料自组装及拓扑结构和孔道示意图
Zn4O为四面体结构，苯环为连接体，球形为孔
虽然MOF材料已存在了几十年［3］，但是直到20世纪90年代末，美国的Yaghi研究组［4］和日本的Kitagawa研究组［5］才合成了具有稳定孔结构的MOF材料，使其成为材料领域的研究热点与前沿。第一代的MOF材料合成于20世纪90年代中期，此时的MOF材料孔结构还需要客体分子的支撑，如果移除客体分子，则骨架会发生塌陷，得到的是不稳定的孔结构［6］。随后，科学家开始将阴、阳离子和中性的配体组装成为配位聚合物，合成了新一代的MOF材料。这类MOF材料的有机配体主要是以含羧基的有机阴离子配体为主，有时还混合了含氮的杂环有机中性配体［7?16］。这一代的MOF材料弥补了上一代的缺点，当引